你知道小鳥是如何唱歌的嗎？原來跟我們差不多！

著名學術雜志《NatureCommunications》于2015年11月27日刊登了一篇C.P.HElemans博士的最新研究文章，標題為“鳥類與哺乳動物之間通用的發(fā)聲機制與聲音控制”。文章中指出：鳥類與哺乳動物都是通過相同的發(fā)聲機制——肌彈性氣動力（簡稱MEAD）來發(fā)聲。研究此項目的關鍵在于是否能通過控制器官下方與外部壓力的方式在鳴管（鳥類身上與人類喉頭相似的器官）中模擬發(fā)聲組織的振動。為了精密控制密閉容器內(nèi)的壓力，C.P.HElemans博士選擇了艾里卡特（alicat.com.cn）的雙閥壓力控制器。

壓力控制推動肌彈性氣動力振動

期刊原文圖1部分截圖展示了肌彈性氣動力振動過程。

動物的聲音是由發(fā)聲組織每秒鐘數(shù)百次振動而產(chǎn)生的不連續(xù)空氣脈沖組成。肌彈性氣動力（MEAD）描述了此類振動如何在無活動肌以相同頻率共振的情況下得以持續(xù)。一般來講，肌肉的收縮速度最快可達250Hz。在肌彈性氣動力理論中，封閉的發(fā)聲組織下方積聚著一股氣壓直至壓力迫使發(fā)聲組織開啟，其開啟與閉合呈不規(guī)則狀，進入發(fā)聲組織的空氣被其振動切斷，由此即發(fā)出了聲音。振動頻率決定了聲音的高低，而振動頻率取決于進入喉頭（哺乳動物稱之為喉頭，鳥類稱之為鳴管）的氣體流量以及發(fā)聲組織的肌張力。

艾里卡特的雙閥壓力控制器控制密閉容器內(nèi)壓力。

哺乳動物的肌彈性氣動力（MEAD）發(fā)聲機制已被論證，為了證明鳥類也是如此，C.P.HElemans博士在小鳥的鳴管中模擬了由壓力形成的氣流。研究團隊希望通過精密控制位于發(fā)聲組織下端的支氣管內(nèi)的壓力來測試肌彈性氣動力（MEAD）振動的存在。因為鳥類呼吸系統(tǒng)內(nèi)的多余空間絕對封閉，采用艾里卡特的雙閥壓力控制器無疑是最佳方案。分別控制進氣、排氣的兩個閥門根據(jù)實驗要求的實時壓力，精密有效地控制進入、排出密閉系統(tǒng)的空氣流量。

艾里卡特的差壓式雙閥壓力控制器（上圖為顯示屏外置），注：兩個壓力傳感器均位于正前方。

為了不破壞生物結(jié)構，實驗過程中須將壓力控制在一個極低（3kPa與大氣壓力之間）的范圍內(nèi)。為此，我們決定在壓力控制器中內(nèi)置一壓差傳感器，其中一個遠程傳感器端口連接小鳥的支氣管，另一個通大氣。也就是說，即便實驗過程中支氣管的壓力會發(fā)生微小的變化，但相對于當?shù)卮髿鈮憾詤s始終保持不變。兼容模擬量控制、數(shù)字信號控制于一體的艾里卡特雙閥壓力控制器，輕而易舉地便幫助項目團隊使小鳥的鳴管處于支氣管升壓狀態(tài)下。

壓力控制空間和冗余

期刊原文圖6部分截圖展示了冗余壓力控制空間。

除了驗證鳥類的肌彈性氣動力（MEAD）發(fā)聲機制，C.P.HElemans博士還想知道鳥類發(fā)聲是源自于唯一的肌肉指令還是一個冗余的控制空間。為此，研究團隊在鳴管處于支氣管升壓狀態(tài)下并伴隨肌肉刺激源變化的同時，還不斷變化著環(huán)繞在鳴管周圍的鎖間氣囊（ICAS）的壓力。項目組又另外采用一臺雙閥壓力控制器模擬跟支氣管腔體內(nèi)壓力范圍相同的1-3kPa(G)的鎖間氣囊（ICAS）的壓力。研究團隊發(fā)現(xiàn)在兩個壓力區(qū)（以及肌肉刺激源）內(nèi)的多種壓力組合能產(chǎn)生相同的基頻，對肌彈性氣動力（MEAD）來說是一種常見的冗余特性。

值得注意的是，C.P.HElemans博士發(fā)現(xiàn)維持發(fā)聲組織振動的空氣動力并非由聲道內(nèi)空氣柱的質(zhì)量慣性產(chǎn)生，而是由發(fā)聲組織波動而形成的壓力差產(chǎn)生（參見論文第6頁），維持氣體進入發(fā)聲組織必不可少的高、低壓力交替并非由進入鳥兒喉嚨的空氣量在喉嚨下端形成一低壓區(qū)直至發(fā)聲組織再次開啟形成，而是靠組織邊緣的波動在鳴管內(nèi)形成必需的壓力變化。

本文關于壓力控制器的應用是一項將空氣動力學應用在動物身上的很棒的研究項目。如果您也想利用艾里卡特質(zhì)量流量計、質(zhì)量流量控制器、壓力控制器將手中的研究計劃變成現(xiàn)實？請聯(lián)系艾里卡特。